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爱因斯坦于1905年首次提出狭义相对论原理，论文发表在《物理学年鉴》上，
同年，他对狭义相对论作了重要补充，并为辐射问题建立了最初形式的质能关系 式。1907年，爱因斯坦完成了一篇通俗性的相对论文，其中包含一般形式的质能 关系式：E ＝mc2.他的卓越论文建立了全新的质量、时间和空间概念，并向同时 性观念提出了挑战。相对论的伟大意义在于：它抛弃了“绝对”时空观和空间充 满以太的思想；当时，以太被看作是光以及其它形式的电磁波传播媒介。现在看 来，１９０５年６月爱因斯坦关于相对论的开创性论文在《物理学年鉴》上发表， 是理论革命阶段的典型例子。 玻恩１９０６年在哥廷根研究“运动物体的电动力学和光学”时，竟然还未 听说过爱因斯坦和他的工作。１９０６——１９０７年间，英国剑桥大学的情况 也是如此。 按照爱因斯坦的妹妹的回忆，爱因斯坦当时“想象在有名望的、拥有众多读 者的杂志上发表论文，是立即会引起注意的”。当然，他期望“强烈的反对和最 严厉的批评”，但缺少反响和“冷酷的批评”反而使他“非常失望”。不久，他 收到普朗克寄来的一封信，就论文中几个模糊不清之点提出问题，这使爱因斯坦 感到“异乎寻常的高兴”，因为普朗克是“当时最伟大的物理学家之一。相对论 后来迅速变成了物理学家们感兴趣的讨论和研究课题，这种戏剧性转变主要由于 普朗克较早较深地介入相对论所引起的。 爱因斯坦论文发表的第二年，普朗克就开始在柏林讲授相对性理论，但不是 爱因斯坦理论内容，而是洛伦兹的电子理论。1907年，普朗克的助手劳厄（后来 的诺贝尔物理学奖获得者）发表了一篇关于相对论的专题文章。 1906年6 月，普朗克在德国物理学会上发表关于相对论的演讲（同年刊登在 杂志上）；1907年，在普朗克的指导下，莫森格尔完成了第一篇专论相对论的博 士论文。佩斯指出，早期介入这一领域的人实在是太少了，乌尔茨堡的劳布和拉 登伯格是为数不多的几个例外。劳厄曾经来到伯尔尼拜访爱因斯坦，他发现很难 相信这个“年轻人”竟然是“相对论之父”。几年后，劳厄撰写了一篇非常出色 的介绍相对论的学术论文。劳厄在1917年3 月24日写给爱因斯坦的信中，表达了 他对自己的革命性工作的兴奋之情：“终于实现了！我的关于波动光学的革命观 点发表了”。他接着写道：在“这一紧要关头”，它们“无疑会激起每一个爱好 和平的物理学家最强烈的憎恨”；但“我仍然要坚持这些备受谴责的观点”。 除了玻恩自已介绍了他是怎样第一次听说相对论的之外，我们还从英费尔德 那儿了解到当时的一些情况。英费尔德曾谈到他的朋友洛利亚教授告诉他的一件 事，洛利亚的老师“克拉克夫大学的维特柯夫斯基教授（他是一个非常伟大的教 师）”读了爱因斯坦1905年关于相对论的论文后，“冲着洛利亚兴奋地喊到”： “读读爱因斯坦的论文吧，又一个哥白尼诞生了！”又过了一段时间（玻恩说是 1907后）洛利亚在一次物理学会议上遇到了玻恩，他向玻恩谈起爱因斯坦，并问 他是否读过那篇相对论论文。结果，“不光是玻恩，在场的每一位都从未听说过 爱因斯坦。”英费尔德说，“玻恩立即认识到相对论的伟大，同时感到有必要对 它作形式上的推广。英费尔德认为，玻恩后来对相对论的研究工作，”是早期对 这一科学领域作出的重要贡献。“ 最初，表示愿意接受爱因斯坦狭义相对论的物理学家很少，因此不足以在世 界范围内开创一场科学革命，但来自德籍理论物理学家的反对意见却很多。1907 年7 月，普朗克在致爱因斯坦的信中说：“相对性原理的倡导者”仅仅形成了 “小小的一个圈”，由此他认为，他们之间“取得一致意见倍加重要。”“相对 性原理”既体现了普朗克个人偏爱的洛伦兹理论，也体现了爱因斯坦的相对论。 然而，爱因斯坦的声望在持续增长，尽管仍相当缓慢。1907年秋，斯塔克 （《放射性和电学年鉴》的编者）写信给爱因斯坦，要求他写一篇相对论的“评 述文章”。 第一篇引用爱因斯坦相对论论文的文章是考夫曼1905年写的。他认为爱因斯 坦的“研究与洛伦兹的研究在形式上是同一的，”只不过是后者的有益于推广。 考夫曼最后说，他自己的实验数据驳倒了爱因斯坦和洛伦兹的电子理论。过 一会儿，我们将回过来研究这个问题。 1907年，爱伦菲斯特写了一篇以爱因斯坦理论为主题的论文。第二年（1908 年），闵科夫斯发表文章，把爱因斯坦理论根本性地转化为数学形式，“大大简 化了狭义相对论”。经过这样几个步骤，纸面上的革命才变成了真正的科学革命。 佩斯指出，从1908年开始，爱因斯坦的名声和他的影响都在迅速提高。 此时，爱因斯坦这颗科学界明星升起来了。1909年春，他从伯尔尼瑞士专利 局一个地位低微的专利审查员，一跃而成为苏黎世大学理论物理学助理教授，这 很明显是由于他在固体量子论方面所做的工作。爱因斯坦的推荐人之一写道：爱 因斯坦“当属最伟大的理论物理学家之列”，“由于相对论原理方面的工作，他 正受到极其广泛的重视”。1909年7 月8 日，爱因斯坦获得了日内瓦大学的荣誉 学位，同时获得了这项荣誉的还有奥斯瓦尔德和居里夫人。他在这个职位只呆了 两年，1911年3 月他又来到布拉格，晋升为德国卡尔—费迪南大学正教授。在那 儿工作了16个月后，弗兰克接替了这个职位。爱因斯坦又返回苏黎世，担任综合 技术学院物理学教授。 当然，影响接受狭义相对论的困难主要是概念上的，但也确实存在实验上的 障碍。在1905年开创性的论文末尾，爱因斯坦推导出了一个电子横向质量公式。 这个公式与洛伦兹理论中的公式极其相似，其中的差导很快就被消除了。于 是，这样两种理论能给出相同的结果。但是，考夫曼在分别发表于1902年和1903 年的论文中指出，他的实验结果与洛伦兹理论（同样也适用于爱因斯坦理论）的 预言有很大差异。爱因斯坦对这些结果无动于衷。1906年，考夫曼在《物理学年 鉴》（一年前爱因斯坦发表相对论论文的同一杂志）发表了一篇文章，详细归纳 了爱因斯坦的时空观念，谈到了洛伦兹—爱因斯坦的电子理论。他总结说，他自 己的测量结果与洛伦兹—爱因斯坦理论的“基本假设是不相容的。”洛伦兹因此 写了一封信给彭加勒，说他自己已经走上了“末路”。他对彭加勒说，“不幸的 是”，他的假说“与考夫曼的新实验矛盾”，他认为“不得不放弃它”。但爱因 斯坦却深信：实验数据与理论间“系统误差”的存在说明有“未被注意的误差源” ；新的更精确的实验一定会证实相对论理论。爱因斯坦的话得到了证实，1908 年布歇尔发表了新的实验结果，完全符合洛伦兹和爱因斯坦的预言。1910年，胡 普卡的实验对此再次予以确证。而决定性的结果是1914—1916年获得的。从那以 后，各种表明相对论正确性的论据不断出现，且极为丰富。 随着实验证据的实现，相对论本身进行了根本性重构。这项工作是哥廷根大 学数学教授闵科夫斯基完成的。有趣的是，几年前，闵科夫斯基教过爱因斯坦数 学。1908年，闵科夫斯基发表论文，引进四维“时空”概念，取代了孤立的三维 空间外加一维时间的不相容概念，他还把相对论转化为现代张量形式（这要求物 理学家们进一步学习由里奇和列维—西维塔建立的新数学理论），在相对论中引 进专业术语，并明确指出：以相对论观点看，传统的牛顿引力理论已经不够用了。 很明显，爱因斯坦开始并没有理解闵科夫斯基工作的意义，甚至认为把他的 理论改写成张量形式是“多余的技巧”。但到了1912年，爱因斯坦终于转变过来 了；1916年，他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大地简化了从狭义相对论到 广义相对论的过渡。爱因斯坦后来着重强调了闵科夫斯基的贡献，他说：如果没 有他，“广义相对论也许还在襁褓中。” 闵科夫斯基的时空观首次公开发表是在1907年11月5 日的一次演讲中，演讲 的标题是“相对论原理”。但这篇演讲直到闵科夫斯基去世后6 年的1915年才出 版。不过庆幸的是，早在1908年和1909年发表的两篇论文，闵科夫斯基已阐述了 他的时空观思想。闵科夫斯基充分认识到他的贡献的重要性，他在1907年演讲时 开宗明义地说：“先生们，我想向诸位讲述的空间和时间观念……是根本性的， …因此，孤立的空间和时间本身将注定消失在阴影里。”事实上，闵科夫斯基在 这篇演讲的第一稿上，把他的新时空观的“特征”说成是“革命的”，而且是 “极端革命的。”可是，在演讲稿最后付印时，“革命的”词语省去了。 玻恩向我们讲述他最初阅读爱因斯坦论文的经过，使我们懂得爱因斯坦的概 念是多么深奥难懂，甚至对那些异常精通数学的人亦是如此。1907年，当洛利亚 向他们介绍爱因斯坦论文的时候，玻恩正是闵科夫斯基的大学研究班成员，因此 “对相对性思想和洛伦兹变换很熟悉。”他回忆说，即便如此，在阅读爱因斯论 文时，“爱因斯坦的推理超出我的意料之外。”玻恩发现，“爱因斯坦理论是全 新的和革命的”，是天才的创造。爱因斯坦的观点“向牛顿建立的自然哲学以及 传统时空观大胆提出了挑战。”现在看来，玻恩确实认识到了爱因斯坦的思想革 命和理论革命的威力，但也清醒地看到真正的科学革命尚未到来。玻恩戏剧性地 指出，事实上，爱因斯坦理论是如此激进（亦即新的和革命的），以至必须“做 出努力才能很好地予以消化和吸收。”而且他还提醒我们，“并不是每一个人都 能够或愿意这么做。”看来当初他本人是做到了。爱因斯坦革命要求人们普遍接 受爱因斯坦关于物质世界的全新思考方式。 1909年美国科学家刘易斯和托尔曼发表的文章，清楚地说明了接受爱因斯坦 假说的实际困难。他们承认爱因斯坦相对论原理“综合了大量实验事实，没有出 现矛盾的反例，”其中他们列举布歇尔的实验作为支持这一理论的重要依据。然 而，他们感到相对论基本“原理”的这一方面无可挑剔时，另一方面就暴露出了 问题。例如，在对“绝对运动无法观察到”这一普遍原理表示理解时，他们却发 现相对于任意独立观察者光速不变相对性“奇异结论”，这可能是“基于某种感 官心理学上的科学幻想”。 时间一年年地过去，越来越多的物理学家终于转变了。然而，他们当中有许 多人只接受爱因斯坦公式，承认“收缩性”是光速不变性引起的空间问题的基础。 但仍然坚持绝对时间和同时性的信仰（包括洛伦兹在内）。1911年4 月，法 国物理学家朗之万在哲学家大会上发表演说，为相对论增添了更轰动性的因素。 朗之万是位卓越的科学家，爱因斯坦曾经说过，如果他没有发现狭义相对论， 朗之万将会发现。在讨论时间相对性或膨胀问题时，朗之万没有采用爱因斯坦那 种利用运动时钟和静止时钟解释时间效应的费解作法，而是用所谓的“双生子悖 论” 取代了爱因斯坦的“时钟悖论”，并立即成为大众所熟知的由相对论引起的 怪物。 相对论时间问题是这样产生的：如果双胞胎兄弟一个留在地球，另一个去星 际空间旅行，那么当旅行的兄弟返回地球时，竟会发现双胞胎的年龄不同了。朗 之万列举的一个例子是，旅行者直线飞向一颗恒星，绕它一周并原路返回。如果 旅行的速度足够大（当然比光速小），最后旅行者将发现，在他两年的旅行中， 地球已经度过了漫长的两个世纪。哲学家亨利。伯格森后来承认，正是朗之万1911 年4 月的演讲，“第一次唤起了我对爱因斯坦观念的注意”。 时钟（或双生子）悖论很快成为（在某种程度上今天依然）相对论使人困惑 或招致敌意的原因。劳厄曾谈到那些反对相对论的“思想内容”、基本公式或数 学结果的人。1911年他写信告诉爱因斯坦，反对相对论的共同理由“主要是时间 相对性和由此产生的悖论”。劳厄在1912年写的世界第一部相对论教科书中指出 ：这些悖论和其它有关时间相对性问题具有“伟大的哲学意义”，“正是由于这 一原因”，“只能用哲学方法”对待这些问题。我们还注意到，1911年爱因斯坦 在讨论这一见解时，使用了理想实验的方法。他假设把装有“小生物的盒子”送 向“遥远的飞行里程”，结果在它返回地球时，“盒子的内部情况几乎没有变化”， 而留在地球上的生物已“繁衍生息了许多代了。” 尽管许多人不愿轻易接受爱因斯坦对物理学基本思想进行彻底重构，但他们 却已在应用爱因斯坦的数学结果。劳厄（以及其它人）曾指出，这些数学结果在 形式上和洛伦兹理论结果是一致的，但它们的“物理本质”却有重大差异。劳厄 甚至宣称（1911），两种理论的“实质差别是不可能的”。但人们很快就认识到 爱因斯坦理论更加优越，特别是在广义相对论建立之后，狭义相对论的重要性尤 其显示出来。 大约到1911年，爱因斯坦狭义相对论已有了相当数量的拥护者，导致了一场 科学革命。同一年，索末菲宣布，相对论理论“已经完整地建立起来，它不再是 物理学的前沿了。”1912年初，1911年度诺贝尔物理学奖获得者维恩建议：授予 爱因斯坦和普朗克这项最高奖赏。他在推荐书上写道：从“逻辑的观点看，”相 对论原理“应当被看作理论物理学所取得的最重要的成就之一。”他说，目前已 有“实验明确证实了这一理论。”他作结论，洛伦兹是发现相对论原理数学内容 “的第一人。而爱因斯坦则”成功地把相对论简化为一个简单的原理“。 |